船舶空调通风管路减振降噪分析

李艳华,张 成,田华安

(中国舰船研究设计中心， 武汉 430064)

船舶空调通风管路减振降噪分析

李艳华,张 成,田华安

(中国舰船研究设计中心， 武汉 430064)

为了降低船舶空调通风管路的振动噪声，利用理论估算、数值计算等手段，对SID型隔声阻尼带自身的声学性能以及在典型空调通风管路系统中的实际应用效果进行预报，分析结果表明，5 mm隔声阻尼带的应用插入损失效果为5.2 dB,厚度增加效果增大，实际应用收益良好。

空调通风；管路隔声包覆；插入损失

舱室空气噪声能否满足有关规定的限值，直接影响到船舶人员的居住性和设备的安全性。随着对居住性要求的提高，空调通风系统的噪声控制已成为急需解决的问题。

国内外许多学者都对如何控制空调通风系统的噪声进行了大量的研究。包括对通风系统声源的低噪声设计、管路消声设计、系统的控制技术和方法等[1-6]，并已在实船上进行了实用验证。美国和日本等发达国家走在了世界前列，除采取常规的治理手段外，部分还采用了有源控制技术[7-8]，对空调通风管道进行降噪研究。目前国内外对声源、传递途径都有大量研究，而管路系统减振降噪的一个重要的实用技术手段是采用管路外包覆隔离噪声。国内外研究在管路包覆上主要采取隔声材料，而通风管路的管壁通常比较薄，振动导致其产生的声辐射也具有一定量级。因此，寻找一种有效的既能隔离辐射噪声又能降低管壁振动而产生的二次声辐射的管路包覆就显得非常有意义。

文中首先对SID型隔声阻尼带自身声学特性进行预报，利用理论和仿真方法得到阻尼带自身插入损失隔声量和减振量；然后利用统计能量法，选取典型空调通风系统管路段，建立其计算模型，分析不同厚度隔声阻尼带贴附在空调通风管路系统中的实船应用隔声效果，并得到不同厚度下声压响应频谱曲线。从以上两方面分析隔声阻尼带减振降噪效果，不同方法的预报分析也为文中的预报方法和结果提供了相互验证。

1 隔声包覆材料声学性能预报

SID型隔声阻尼带基体材料选用目前成熟应用的DFM型阻尼材料。DFM阻尼材料具有优异的耐海水性能、阻尼性能、阻燃性等。已广泛应用于舱内管路等部位的减振降噪治理，使用效果良好，毒性符合相关标准要求。SID型隔声阻尼带不仅具有隔声作用，同时还能兼顾降低空调通风管路的管壁振动，进一步降低管壁振动辐射的空气噪声。

SID型隔声阻尼带尺寸为400 mm×300 mm×5 mm，也可根据应用需求另行设计。

1.1 隔声效果预报

文献[9]中关于隔声量理论计算公式为

R=20lg(fM)-42.5

(1)

式中：f——入射声波的频率，Hz；

M——板的面密度，kg/m2。

由式(1)可见，板的隔声量取决于板的面密度和频率的乘积(fM)。面密度越大，隔声量越高。面密度提高1倍，隔声量增加6 dB左右。实际上，由于受到劲度、吻合效应、阻尼和边界条件的影响，实际的隔声量达不到理论公式计算的结果。大量的试验数据表明，面密度增加1倍时，隔声量增加5 dB左右。通过长期经验积累，总结出隔声量(dB)经验公式为

R=16lgM+14lgf-29

(2)

一般船舶通风管路壁厚约为0.8mm，根据以上经验公式估算敷设SID型隔声阻尼带后的插入损失效果以及其敷设厚度，见表1。

表1 插入损失估算及材料尺寸

表1表明，当阻尼厚度选取4.5 mm时，插入损失就可以达到5 dB的隔声量,其隔声效果可观。随着阻尼带厚度的增加，其隔声量也增加，当然，重量也增加很多，这就要考虑到总体的重量限制，并且管壁比较薄，还需考虑管壁的承重能力。4.5 mm隔声阻尼带隔声量能达到5 dB，此时面密度与0.8 mm的钢板面密度(～6.28 kg/m2)相当，随着隔声量增大，其面密度是钢板的2倍、3倍甚至8倍，并且比隔声量增加倍数要快。因此，从隔声效果以及总体资源兼顾考虑，建议阻尼带处理厚度不要超过钢板面密度的2倍，局部需要特殊处理的部位视具体情况而定。

1.2 减振效果预报

建立风管模型，采用有限元计算方法预估阻尼处理管道的减振效果。管道采用粘贴SID型隔声阻尼带的自由阻尼处理方式。通过频响分析，计算得到阻尼处理前后管道的振动加速度级的衰减。

采用有限元计算软件(MSC/PATRAN和NASTRAN)对管道以及阻尼处理管道建模。方形管道长×宽=280 mm×120 mm，管道轴向长度为2 m，壁厚0.8 mm。管道模型采用板单元，见图1，采用QUAD4单元进行划分，管道结构单元数为336，节点数为348。

图1 管道有限元模型

对阻尼处理后的管道建立有限元模型，采取对阻尼层和管道结构分别划分单元的方法。模型为分层有限元模型，按照基层/粘弹性层次序，为壳/实体模型，这种模型将基本结构层、粘弹性层在节点处进行位移协调。所用的橡胶阻尼材料硬度较高,且在工作过程中,变形较小。因此在有限元计算时,将橡胶视为线弹性材料。建立的管道阻尼处理有限元模型见图2。

图2 管道阻尼处理方式(在管道外壁四周包覆)

利用有限元计算软件(MSC.NASTRAN)，采取直接频响法计算管道在采用厚度为5 mm的SID型隔声阻尼带进行阻尼处理前后的加速度响应。在距管道边缘70 mm处(node391)施加100～2 000 Hz的单位正弦激励信号。见图3。

图3 管道边界约束条件及激励方式

通过频响计算，提取管道表面处响应(node249)，计算得到管道阻尼处理前后响应点的振动加速度级随频率变化曲线见图4。分析可知，采用SID型隔声阻尼带处理的管道的振动加速度级在200～2 000 Hz具有明显的衰减；在各特征峰值点均有不同程度削弱，振动加速度级插入损失降低幅度达5～10 dB，平均振动加速度级处理前后分别约为153 dB和146dB,降低幅度达到约7 dB。

图4 管道阻尼处理前后振动加速度级变化曲线

2 典型空调通风系统管路隔声效果计算分析

为验证隔声阻尼带的实船管路应用效果，选取典型的通风管路段，利用统计能量法对其进行预报。典型管路段见图5，图中数字代表管段编号。其中管壁厚为0.8 mm,材料为钢，横截面为矩形，其管段的横截面面积、横截面边长和管线长见表2。

图5 典型通风系统管路段

表2 管路尺寸

采用UG建立管路几何模型见图6。图6中A点为离管路垂直距离1 m远位置，以管路辐射到该点的噪声级作为分析对象。

图6 管路几何模型

将几何模型导入VAone建立统计能量模型，见图7。管路的入口(坐标原点)与风机相连，施加风机的出口声功率(见表3)。管路表面敷设SID型隔声阻尼带，分别为5、8以及10 mm厚，隔声阻尼带密度为1 450 kg/m3。

图7 统计能量模型

表3 风机出口声功率

通过提取A的辐射声压级，整理其辐射噪声级见图8。

图8 A测点在不同厚度包覆下的噪声级

计算结果，无包覆的总噪声级为78 dB,采取5 mm包覆的总噪声级为72.8 dB,8 mm包覆为70.5 dB,10 mm为69.3 dB,其插入损失计噪声隔声量分别为5.2 dB、7.5 dB和8.7 dB。根据前面阻尼带自身隔声量预报结果，5、8和10 mm隔声阻尼带的插入损失为5.4、7.2和8.3 dB，两种预报结果相当接近，在一定程度上相互验证了计算方法的正确性。所以采用5 mm以上厚度的阻尼带包覆，插入损失至少可以获得5.2 dB以上的隔声量，并且随着厚度的增加，隔声量也增加，因此采取隔声阻尼带降低空调通风系统管路噪声是可行而有效的方法，当然具体管路包覆厚度还需考虑总体重量以及管壁承重量等因素。

3 结束语

由于目前工作主要针对阻尼带对船舶空调通风系统减振降噪效果开展，对实船总体资源的消耗以及经济性的分析有待更进一步的研究，在后续的工作中可继续开展声学效果与总体资源、经济性等平衡匹配的分析研究，以期为实船的选型应用提供支撑。

[1] 张贻建.地铁通风系统消声技术的探讨[J].噪声与振动控制，2009，4(2)：76-79.

[2] 李培铭.船舶空调通风系统空气噪声治理方法探讨[J].船舶机电设备，2008(5)：27-29.

[3] 曹宏涛,陈黎明,曲 飞,等.某型船用离心通风机的降噪处理[J].科技与装备，2003(3)：46-47.

[4] 朱伟明，张 扬.舰船空调通风系统噪声控制技术研究[J].中国水运，2013，13(1)：131-132.

[5] 田华安，薛 敏，刘志忠.空调通风系统消声器设计及试验[J].舰船科学技术,2012,34(7):118-121.

[6] 钱伟忠，周振宇.改进舰船空调系统舒适性设计的探讨[J].机电设备，2013(4)：65-70.

[7] KAZAKIA J Y.A study of active attenuation of broadband active attenuator for cancellation of random noise in ducts[J].Journal of Sound and Vibration,1986,110(3):495-509.

[8] ROURE A.Self-adaptive broadband active sound control system[J].Journal of Sound and Vibration,1985,101(3):429-441.

[9] 马大猷.噪声与振动控制工程手册[M].北京，机械工业出版社，2002.

Analysis of Vibration and Noise Reduction of Air Conditioningand Ventilation Pipe of Ship

LI Yan-hua, ZHANG Cheng, TIAN Hua-an

(China Ship Development and Design Center, Wuhan 430064, China)

In order to reduce vibration and noise of air conditioning and ventilation pipe system, the acoustic performance of SID sound insulation damping coating and sound insulation effect of the practical application in a typical air conditioning and ventilation pipe system is forecasted and analyzed by engineering estimation method and numerical method. The results show that the insertion loss of coating is 5.2dB with thickness of 5 mm in sound insulation damping coating. The effect becomes better when the SID sound insulation damping coating is thicker.

air conditioning and ventilation; pipe sound insulation coating; insertion loss

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.024

2014-08-17

李艳华(1984-)，男，博士，工程师

U664.84

A

1671-7953(2015)01-0093-04

修回日期：2014-09-26

研究方向:船舶振动噪声控制

E-mail:scorpions2012@163.co